芯片的本质到底是什么？

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你好，我是高朋，这里是8分钟区块链，昨天我们把生产比特币的源头追溯到了芯片上，那么这节课，我们再深挖一下，芯片到底是什么和芯片的本质是什么？

先来给你看一张图，节目的文字稿的第一张图，这个照片就是芯片，这么一个小薄片上面，排列着很多很多的晶体管。

它可能跟你在新闻里看到的芯片不太一样，这是因为芯片很脆弱，需要通过一个叫“封装”的过程给他保护起来，装到一个外壳里保护起来。

我再给你看第二张图。这样封装好的小黑片，是不是更符合你对芯片的印象呢？

你要是把芯片翻过来，在背面会看到密密麻麻的金属引线，少则十几根、几十根，多则几百根。这些引线的作用，就是要把芯片电路和外界电路连接起来。

它可以类比一下家里的电视机：电视需要两根线才能工作，一根是电源线，给电视机的电路和屏幕供电，另一根是信号线，把机顶盒的数字信号传给电视机显示出来。芯片的引线也可以分成这两类，一部分是负责供电，包括地线和电源线，另一部分负责输入、输出信号。

这就是一个真实芯片的样子。为什么会管这个东西叫“芯片”呢？“片”就是它的形状，而 “芯”是说这个东西是电子设备的心脏、大脑、中枢，所以管它叫芯片。

但正是因为这个名字，可能让很多人对芯片有误解，认为只有像电脑里CPU那种才是芯片。其实，CPU属于逻辑芯片，可以做逻辑控制，有运算功能。但芯片还有很多其他种类，比如像5G、Wi-Fi、蓝牙这种通信芯片，还有像内存、U盘里的存储芯片，还包括手机里陀螺仪那种传感芯片等等。

那么芯片的本质又是什么呢？

过去国家要发展半导体产业，半导体是芯片吗？现在国家加大科技攻关力度，聚焦集成电路、人工智能等等领域，这个集成电路是不是也是芯片？这几个概念经常混着使用，那到底什么是芯片的本质呢？

现在我给你一个公式，就是半导体＋集成电路，合起来才叫芯片。

首先，为什么得是半导体呢？

一句话概括，在半导体之前，人类只能用机械控制电。但是有了半导体之后，人类才可以直接用电来控制电，控制能力强了很多。

像机械时代的那些齿轮、杠杆，我就不说了。人类发明电以后，就进入了电气时代。一个标志就是电报的发明，人们终于可以快速把信息传出去了。

可就算传递信息靠的是电，但发电报用的也是滴滴滴哒哒哒的机械开关，来控制电流的导通和断开。人们后来还发明了继电器装置，甚至发明了继电器组成的计算机，但这些东西跟今天的芯片都差得太远。

所以，芯片首先必须得是半导体材料，这个本质也是芯片开启信息时代的根本原因。

那只有半导体材料就够了吗？肯定是不行的，还必须得是集成电路。

因为要想实现功能，光有一个晶体管还不够，必须得把很多晶体管连成电路才行。

在早期，人们用半导体材料做出一个个的开关器件，把这些器件就像现在的灯泡一样，一个个连到电路里来实现功能。可这里的问题是，我们需要大量的器件才能实现复杂的功能，但一个个独立器件组成的系统很难缩小。

集成电路技术的发明人当年，说起他发明集成电路技术的初衷，就是觉得手工把元器件一个个的焊到一起真是太麻烦了。你要知道，当时他焊的电路也就几百个元件。几百个原件以及很麻烦了，那么你可以想象一下，现在的电路动不动可就是几亿、几十亿个器件，除了集成电路的形式，还真就没别的好办法。

我们怎么实现集成电路呢？

那么，这个集成电路的过程是怎样的呢？这个时候你可以想象一下，先把单独的元器件焊接起来，然后在上面有一把非常精细的雕刻刀刻东西，就是在

一个非常小的东西上，直接刻画出这些线路。这个非常小的东西就是半导体衬底，刻刀就是你最近常听到的光刻机。只不过这把刀不是金属，而是激光做的，非常非常细。

有了集成电路之后，我们就可以把器件做得非常小了，而且还能不断做得更小，现在已经刻出纳米尺寸的开关来了，可以在一块一厘米见方的芯片里，集成100多亿个晶体管，它的复杂程度真的远远超你的想象。

说到这里，你可能还有一个问题，为什么一堆开关连接到一块，就能实现计算、存储这些功能呢？这里面有很复杂的科学理论，但在这里，我告诉你一个简单的道理，那就是所有复杂的运算，都能还原成最基本的0和1。

比如说，走迷宫看起来应该是个挺复杂、挺智能的事吧？但你把这事还原下去，其实就是在每个岔口做的选择题，要么走左边，要么走右边。左边对应0，右边对应1，左右分别对应开和关。迷宫的走法对应着软件的算法，其实靠着一堆开关连接起来就能完成运算了。

不光是走迷宫，就算今天很流行的人工智能美颜，甚至是下围棋的AlphaGo这样的复杂系统，还原到最底层，其实也是由大量晶体管组成的CPU、GPU，再组成计算机主机，再连接起来构成超级大脑。总之，计算机里任何你觉得很智能的事，最底层都可以用0和1来完成。

当然想要完成复杂的功能，就需要更多的晶体管才行。这就是为什么我们一定要用集成电路，就是想在更小的面积上，集成更多的晶体管。

到这里小结一下，芯片的本质就是半导体集成电路，就是用简单的晶体管开关构成了一个复杂系统。也就是这个芯片，创造了今天的数字世界，让人类进入到一半物质世界一半数字世界的新时代。

不过，关于芯片的重要性，还有一点值得讲讲。虽说芯片构建了数字世界的基础，但物质世界跟数字世界可并不是天然连通的，中间有一道隐形的＊。

要想让信息在这两个世界之间流动起来，接口在哪呢？这个接口还是芯片。

过去，我们只能用实物来计算实物，比如说大家都夸曹冲聪明，因为他发现给大象称重不好办，所以就把这个问题变成了称石头，这就好称了。

这个看起来很聪明的转换，其实完成的也只是从物质到物质的映射。大象重量的传输和计算都只能在物质世界里完成，你要想称两头大象总重量，就得称两堆石头。

但是有了芯片，这个问题就简单多了。今天要称一个大货车的重量，不用映射到石头了。只要把这辆车开到高速公路收费站，就会经过一个电子地磅，这里面的芯片能感知压力，货车重量直接变成了一个数字，这个过程就把物质世界直接映射到了数字世界里。

在数字世界里，货车重量可以被快速传播、快速计算、长久存储。公路管理部门可以拿这些数据去做超重监控，统计每年公路运输总量。商务部门能得知这个地区商贸、物流的信息。

这些信息经过芯片处理，人类原本在物质世界里做的一切，几乎都可以在数字世界完成了。比如在购物网站买一包饼干，几天后快递送上门。这包饼干从出库、运输直到你手里的这个过程，都是靠数字世界的信息来控制的。

所以说芯片是物质世界和数字世界的接口。而且今天芯片能处理的不只是重量，今天物质世界里几乎所有的物理量“力热声光电”，都能通过芯片映射到数字世界里。

比如电水壶里的温度芯片，就能把热这个物理量变成电信号，就能控温了；汽车轮胎的胎压传感器芯片，能把压力转变成电信号，就能保障行车安全，等等。甚至现在正在探索的脑机接口，通过把神经信号转化成电信号，让大脑的思想也能进入数字世界。

芯片的接口功能越来越强，这也是今天，数据量猛增，数据变得特别重要的原因。

听到这里，你也就明白了，芯片是数字世界的基石，更是物质世界与数字世界的唯一接口，芯片技术决定了我们信息技术的水平。

很幸运，我们是进入数字世界的第一代人类，就像马斯克移民火星是为了开拓新的物质世界一样，我们也要在数字世界里开疆拓土，芯片就是我们的飞船、锄头、枪炮。今天，谁控制了芯片，就控制了我们和数字世界的一切连接。

好，关于芯片我们就聊这么多，我是高朋，我们明天见。